CN111627085B - 一种波前分视场曲率传感方法和装置、自适应oct系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种波前分视场曲率传感方法和装置、自适应OCT系统,包括:分体球面镜接收自适应OCT系统中样品臂返回的平行光并进行反射;图像采集模块接收反射后的平行光,并多次分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,获得光强分布图样;网络训练模块以每次获得的两幅光强分布图样相减为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络;波前信息拟合模块根据人眼像差的左右对称性,通过神经网络非线性拟合获得整个波前信息;像差校正模块将波前信息作为反馈,通过调节变形镜来校正像差,以获取衍射极限成像。本申请结合了波前传感技术与机器学习算法,可提高自适应OCT的成像能力,降低光路与眼睛自身误差的影响。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域,特别是涉及一种波前分视场曲率传感方法和装置、自适应OCT系统。
背景技术
光学相干层析(Optical Coherence Tomography,简称OCT)是一种基于光学相干特性的新型成像技术,它是通过分析检测生物组织样品的背向散射或反射光与参考光的干涉信号,对生物组织样品的内部结构进行层析成像,得到光学断层图像的组织特征,以确定诊断要识别的目标。OCT技术与常规影像手段相比具有独特优势,其影像效果接近病理,同时具有无创无辐射、活体实时观测、高分辨率(16微米)、组织内深度成像、3D影像数据等优点。目前OCT技术已经成为检测视网膜疾病的重要工具。
为了提高光学视网膜成像的横向分辨率,通常将自适应光学(AO)与OCT相结合,但是现有的自适应OCT(AO-OCT)技术中,波前传感受光瞳照度的均匀性影响比较大,具有光瞳易倾斜,色散影响大以及量程不足,解算鲁棒性低等缺点。
因此,如何提高自适应OCT的成像能力,是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种波前分视场曲率传感方法和装置、自适应OCT系统,可以提高自适应OCT的成像能力,降低光路与眼睛自身误差的影响,提升鲁棒性。其具体方案如下:
一种波前分视场曲率传感方法,用于自适应OCT系统,包括:
分体球面镜接收来自所述自适应OCT系统中样品臂返回的平行光并进行反射;
图像采集模块接收反射后的所述平行光,并多次分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,获得光强分布图样;
网络训练模块以每次获得的两幅所述光强分布图样相减为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络;
波前信息拟合模块根据人眼像差的左右对称性,通过训练好的所述神经网络非线性拟合获得畸变的整个波前信息;
像差校正模块将获得的所述波前信息作为反馈,通过调节所述自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,以获取衍射极限成像。
优选地,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法中,分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,具体包括:
通过单次曝光方式分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像。
优选地,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法中,所述神经网络使用小波函数作为隐藏层激活函数。
优选地,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法中,还包括:
分光镜或反射镜接收经所述分体球面镜反射后的所述平行光并将所述平行光反射至所述图像采集模块。
优选地,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法中,所述图像采集模块为CCD相机。
优选地,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法中,所述图像采集模块通过安装在其下方的导轨进行移动。
本发明实施例还提供了一种波前分视场曲率传感装置,包括:
分体球面镜,用于接收来自所述自适应OCT系统中样品臂返回的平行光并进行反射;
图像采集模块,用于接收反射后的所述平行光,并多次分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,获得光强分布图样;
网络训练模块,用于以每次获得的两幅所述光强分布图样相减为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络;
波前信息拟合模块,用于根据人眼像差的左右对称性,通过训练好的所述神经网络非线性拟合获得畸变的整个波前信息;
像差校正模块,用于将获得的所述波前信息作为反馈,通过调节所述自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,以获取衍射极限成像。
优选地,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感装置中,还包括:
分光镜或反射镜,用于接收经所述分体球面镜反射后的所述平行光并将所述平行光反射至所述图像采集模块。
优选地,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感装置中,所述图像采集模块为CCD相机;所述CCD相机通过安装在其下方的导轨进行移动。
本发明实施例还提供了一种自适应OCT系统,包括:用于提供弱相干光的低相干光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和光谱仪,彼此之间通过光纤连接;所述样品臂包括第一分光镜、变形镜、扫描机构,还包括本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感装置;其中,
所述光纤耦合器,用于将所述弱相干光分为第一光束和第二光束,所述第一光束进入所述样品臂,所述第二光束进入所述参考臂;
所述参考臂,用于将所述第一光束反射后原路返回进入所述光纤耦合器;
所述样品臂,用于将所述第二光束通过所述第一分光镜聚焦到所述变形镜,经所述变形镜反射至所述扫描机构,通过所述扫描机构对待测眼底进行扫描,扫描后的光线向后反射沿原路返回,并在到达所述第一分光镜后分成两部分,一部分反射至所述波前分视场曲率传感装置以获得畸变的整个波前信息,将获得的所述波前信息作为反馈,通过调节所述自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,另一部分进入所述光纤耦合器;
所述光谱仪,用于接收所述参考臂和所述样品臂反射回的光,采集干涉图样。
从上述技术方案可以看出,本发明所提供的一种波前分视场曲率传感方法和装置、自适应OCT系统,包括:分体球面镜接收来自自适应OCT系统中样品臂返回的平行光并进行反射;图像采集模块接收反射后的平行光,并多次分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,获得光强分布图样;网络训练模块以每次获得的两幅光强分布图样相减为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络;波前信息拟合模块根据人眼像差的左右对称性,通过训练好的神经网络非线性拟合获得畸变的整个波前信息;像差校正模块将获得的波前信息作为反馈,通过调节自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,以获取衍射极限成像。
本发明结合了波前传感技术与机器学习算法,通过分体球面镜在焦前与焦后像的光强分布估计波前曲率变化,并通过神经网络非线性拟合解算波前信息,以该波前信息校正像差,提升了自适应OCT成像过程中的快速像差测量与无色差校正,降低了组织干扰,实现衍射极限成像,这样能够快速提高自适应OCT的成像能力,降低光路与眼睛自身误差的影响,提升鲁棒性,应用前景好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案,下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的波前分视场曲率传感方法的流程图;
图2为本发明实施例提供的分体球面镜和CCD相机之间的光线传输示意图;
图3为本发明实施例提供的曲率传感原理图;
图4为本发明实施例提供的数据解算原理图;
图5为本发明实施例提供的波前分视场曲率传感装置的结构示意图;
图6为本发明实施例提供的自适应OCT系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种波前分视场曲率传感方法,如图1所示,包括以下步骤:
S101、分体球面镜接收来自自适应OCT系统中样品臂返回的平行光并进行反射;
需要说明的是,分体球面镜是将标准球面镜分成两半,也就是说分体球面镜为两部分,图2示出了分体球面镜11的结构,它可以分别在焦前焦后成像;
S102、图像采集模块接收反射后的平行光,并多次分别采集在焦平面两侧(即焦前和焦后)具有相同离焦量成的样品臂远场像,获得光强分布图样;
在具体实施时,如图2所示,图像采集模块12可以为CCD相机。在实际应用中,图像采集模块12可以通过安装在其下方的导轨进行移动,即当分体球面镜反射来的平行光进入CCD相机后,通过导轨的移动,可以保证两个像一个焦前一个焦后;
S103、网络训练模块以每次获得的两幅光强分布图样相减为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络;
需要说明的是,在提高拟合阶数的时候,缺秩严重的问题,或者说,可以通过更少的阶数,达到同样的结果,之前由于线性相关太强,为了将某些频率成分拟合到,导致需要提高很高的阶次,过高的阶次由会导致矩阵病态,目前的最高拟合只能用16~18阶或者使用非线性优化对结果进行处理。本发明使用“本征模式”解决该问题,即在半圆孔径上的Zernike多项式进行正交化,基于该基底采用本征模式,以本征泽尼克多项式系数对像差进行表达;
S104、波前信息拟合模块根据人眼像差的左右对称性,通过训练好的神经网络非线性拟合获得畸变的整个波前信息;
S105、像差校正模块将获得的波前信息作为反馈,通过调节自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,以获取衍射极限成像。
在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法中,结合了波前传感技术与机器学习算法,通过分体球面镜在焦前与焦后像的光强分布估计波前曲率变化,并通过神经网络非线性拟合解算波前信息,以该波前信息校正像差,提升了自适应OCT成像过程中的快速像差测量与无色差校正,降低了组织干扰,实现衍射极限成像,这样能够快速提高自适应OCT的成像能力,降低光路与眼睛自身误差的影响,提升鲁棒性,应用前景好。
下面以图3为例,对本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法的曲率传感原理进行详细说明:
光瞳处波前局部发生曲率变化,所对应的焦内像与焦外像的光强分布随之会发生对应的变化。根据近场电磁波的传输方程,可以解算出波前信息,如式(1)所示:
对于自适应光学系统,一般离焦量仅为几个焦深,离焦星点像十分接近光瞳形状,相减后,可以认为:
其中,R为光斑的半径。
故式(1)通过近似可得式(2):
其中,P1和P2是在焦平面两侧的离焦量为l的两个对称平面,Δz为P1P2共轭位置相对入瞳的距离,如式(3)所示:
Δz=f(f-l)/l (3)
对于式(4)进行泊松方程的求解即可,自适应OCT系统中的变形镜可自动地向满足泊松方程的表面形状会聚;在此,利用一半的口径,对全口径的波前进行估计。
经过快速傅里叶变换
故可得:
在具体实施时,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法中,分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,具体包括:通过单次曝光(single-shot)方式分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像。这种方式可不通过移动部件即可实现焦前焦后像的获取,实现同时测量,利用曲率传感受孔径影响小的特点,基于对眼底这一扩展目标的分视场探测,最终通过合成算法获得完整波前畸变信息。
在具体实施时,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法中,神经网络可以使用小波函数作为隐藏层激活函数。这样的小波神经网络结合了小波变换多尺度表征的特性,同时保留了神经网络泛化能力好、非线性映射能力强的特点。
需要了解的是,机器学习是人工智能的分支领域,其目的是在大量经验数据中自主学习,归纳发现系统中变量与变量间的关系,总结并使用算法不断改进权重值,最终对未知数据进行预测。当现有规则和公式无法描述常见的像差和系统误差时,采用建立机器学习模型去处理大量数据,则表现出极大的灵活性和自适应性。如图4所示,本发明先将两幅光强分布图样先旋转,然后对准,之后进行相减,以相减后的两幅光强分布图样为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络。
另外,需要说明的是,本发明是基于深度学习算法“端到端”地构建系统误差(重力、温度、气流、振动、执行机构误差、光学元件面形误差、偏振误差,光强闪烁)模型,实现系统的标校,减少了硬件实现的压力。
在具体实施时,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感方法中,还可以包括:分光镜或反射镜接收经分体球面镜反射后的平行光并将平行光反射至图像采集模块。
基于同一发明构思,本发明实施例还提供了一种波前分视场曲率传感装置,由于该波前分视场曲率传感装置解决问题的原理与前述一种波前分视场曲率传感方法相似,因此该波前分视场曲率传感装置的实施可以参见波前分视场曲率传感方法的实施,重复之处不再赘述。
在具体实施时,本发明实施例提供的波前分视场曲率传感装置,如图5所示,具体包括:
分体球面镜11,用于接收来自自适应OCT系统中样品臂返回的平行光并进行反射;
图像采集模块12,用于接收反射后的平行光,并多次分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,获得光强分布图样;
网络训练模块13,用于以每次获得的两幅光强分布图样相减为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络;
波前信息拟合模块14,用于根据人眼像差的左右对称性,通过训练好的神经网络非线性拟合获得畸变的整个波前信息;
像差校正模块15,用于将获得的波前信息作为反馈,通过调节自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,以获取衍射极限成像。
在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感装置中,可以通过分体球面镜和上述四个模块的相互作用,结合波前传感技术与机器学习算法,提升自适应OCT成像过程中的快速像差测量与无色差校正,降低组织干扰,实现衍射极限成像,进而提高自适应OCT的成像能力,降低光路与眼睛自身误差的影响,提升鲁棒性。
在具体实施时,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感装置中,还可以包括:分光镜或反射镜,用于接收经分体球面镜反射后的平行光并将平行光反射至图像采集模块。
在具体实施时,在本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感装置中,图像采集模块可以为CCD相机;在实际应用中,CCD相机可以通过安装在其下方的导轨进行移动。
关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容,在此不再进行赘述。
基于同一发明构思,本发明实施例还提供了一种自适应OCT系统,如图6所示,包括:用于提供弱相干光的低相干光源1、光纤耦合器2、参考臂3、样品臂和光谱仪4,彼此之间通过光纤连接;样品臂包括第一分光镜10、变形镜20、扫描机构30,还包括本发明实施例提供的上述波前分视场曲率传感装置40;其中,
光纤耦合器2,用于将弱相干光分为第一光束和第二光束,第一光束进入样品臂,第二光束进入参考臂3;
参考臂3,用于将第一光束经反射后原路返回进入光纤耦合器2;
样品臂,用于将第二光束通过第一分光镜10聚焦到变形镜20,经变形镜20反射至扫描机构30,通过扫描机构30对待测眼底进行扫描,扫描后的光线向后反射沿原路返回,并在到达第一分光镜10后分成两部分,一部分反射至波前分视场曲率传感装置40以获得畸变的整个波前信息,将获得的波前信息作为反馈,通过调节自适应OCT系统中的变形镜20来校正像差,另一部分进入光纤耦合器2;
光谱仪4,用于接收参考臂3和样品臂反射回的光,采集干涉图样。
具体地,本发明采用频域光学相干层析(Spectral Domain Optical CoherenceTomography,SDOCT)基本架构,以弱红外激光穿透待测眼底皮下组织,不同组织层次因结构差异折射光学信号后相互干涉,返回光学主机后经算法重组待测眼底成像。该SDOCT无需进行纵向扫描就可得到全部深度位置的特征信息,成像速度快,并且由于波前分视场曲率传感装置的设置,成像能力高,光路与眼睛自身误差的影响小,鲁棒性高,最终获得的干涉图样得到了校正,无色差像差,精确度高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处,各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、系统而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
本发明实施例提供的一种波前分视场曲率传感方法和装置、自适应OCT系统,包括:分体球面镜接收来自自适应OCT系统中样品臂返回的平行光并进行反射;图像采集模块接收反射后的平行光,并多次分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,获得光强分布图样;网络训练模块以每次获得的两幅光强分布图样相减为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络;波前信息拟合模块根据人眼像差的左右对称性,通过训练好的神经网络非线性拟合获得畸变的整个波前信息;像差校正模块将获得的波前信息作为反馈,通过调节自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,以获取衍射极限成像。这样结合波前传感技术与机器学习算法,通过分体球面镜在焦前与焦后像的光强分布估计波前曲率变化,并通过神经网络非线性拟合解算波前信息,以该波前信息校正像差,提升了自适应OCT成像过程中的快速像差测量与无色差校正,降低了组织干扰,实现衍射极限成像,这样能够快速提高自适应OCT的成像能力,降低光路与眼睛自身误差的影响,提升鲁棒性,应用前景好。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的波前分视场曲率传感方法和装置、自适应OCT系统进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种波前分视场曲率传感方法,其特征在于,用于自适应OCT系统,包括:
分体球面镜接收来自所述自适应OCT系统中样品臂返回的平行光并进行反射;
图像采集模块接收反射后的所述平行光,并多次分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,获得光强分布图样;
网络训练模块以每次获得的两幅所述光强分布图样相减为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络;
波前信息拟合模块根据人眼像差的左右对称性,通过训练好的所述神经网络非线性拟合获得畸变的整个波前信息;
像差校正模块将获得的所述波前信息作为反馈,通过调节所述自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,以获取衍射极限成像。
2.根据权利要求1所述的波前分视场曲率传感方法,其特征在于,分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,具体包括:
通过单次曝光方式分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像。
3.根据权利要求2所述的波前分视场曲率传感方法,其特征在于,所述神经网络使用小波函数作为隐藏层激活函数。
4.根据权利要求3所述的波前分视场曲率传感方法,其特征在于,还包括:
分光镜或反射镜接收经所述分体球面镜反射后的所述平行光并将所述平行光反射至所述图像采集模块。
5.根据权利要求1所述的波前分视场曲率传感方法,其特征在于,所述图像采集模块为CCD相机。
6.根据权利要求5所述的波前分视场曲率传感方法,其特征在于,所述图像采集模块通过安装在其下方的导轨进行移动。
7.一种波前分视场曲率传感装置,其特征在于,用于自适应OCT系统,包括:
分体球面镜,用于接收来自所述自适应OCT系统中样品臂返回的平行光并进行反射;
图像采集模块,用于接收反射后的所述平行光,并多次分别采集在焦平面两侧具有相同离焦量成的样品臂远场像,获得光强分布图样;
网络训练模块,用于以每次获得的两幅所述光强分布图样相减为输入,以本征泽尼克多项式系数为输出,训练神经网络;
波前信息拟合模块,用于根据人眼像差的左右对称性,通过训练好的所述神经网络非线性拟合获得畸变的整个波前信息;
像差校正模块,用于将获得的所述波前信息作为反馈,通过调节所述自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,以获取衍射极限成像。
8.根据权利要求7所述的波前分视场曲率传感装置,其特征在于,还包括:
分光镜或反射镜,用于接收经所述分体球面镜反射后的所述平行光并将所述平行光反射至所述图像采集模块。
9.根据权利要求8所述的波前分视场曲率传感装置,其特征在于,所述图像采集模块为CCD相机;所述CCD相机通过安装在其下方的导轨进行移动。
10.一种自适应OCT系统,其特征在于,包括:用于提供弱相干光的低相干光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和光谱仪,彼此之间通过光纤连接;所述样品臂包括第一分光镜、变形镜、扫描机构,还包括如权利要求7至9任一项所述波前分视场曲率传感装置;其中,
所述光纤耦合器,用于将所述弱相干光分为第一光束和第二光束,所述第一光束进入所述样品臂,所述第二光束进入所述参考臂;
所述参考臂,用于将所述第一光束反射后原路返回进入所述光纤耦合器;
所述样品臂,用于将所述第二光束通过所述第一分光镜聚焦到所述变形镜,经所述变形镜反射至所述扫描机构,通过所述扫描机构对待测眼底进行扫描,扫描后的光线向后反射沿原路返回,并在到达所述第一分光镜后分成两部分,一部分反射至所述波前分视场曲率传感装置以获得畸变的整个波前信息,将获得的所述波前信息作为反馈,通过调节所述自适应OCT系统中的变形镜来校正像差,另一部分进入所述光纤耦合器;
所述光谱仪,用于接收所述参考臂和所述样品臂反射回的光,采集干涉图样。
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